Distribuera innovativa kraftförsörjningsnät med hjälp av modulära kraftomvandlare

Kraftförsörjningsnät (PDN) för elfordon (EV) förändras snabbt. Traditionella elektriska kraftkällor, som t.ex. blybatterier på 12 V, får ge vika för källor på 48 V eller mer. Samtidigt drivs många motorer, pumpar, sensorer och ställdon fortfarande med traditionella spänningsnivåer. Därför måste spänningar på högre nivåer sänkas och distribueras till olika laster på ett effektivt sätt. För att åstadkomma detta och samtidigt minimera resistiva spänningsfall och tillhörande effektförluster går kraftsystemarkitekter över från en centraliserad strategi (med en stor DC/DC-omvandlare nära källan) till en decentraliserad arkitektur (där en hög spänning distribueras till kraftomvandlare respektive last med lägre spänning).

Detta decentraliserade kraftförsörjningsnät kräver lätta nätaggregat med hög effekttäthet, optimal verkningsgrad och litet format. Att använda konventionella diskreta komponenter för att konstruera dessa omvandlare inom företaget kan vara frestande för att optimera en konstruktion, men det kan också vara en avskräckande uppgift.

Det finns ett bättre alternativ; färdiga modulära enheter från en leverantör med omfattande erfarenhet av konstruktion och en mängd olika lösningar för kraftförsörjningsnätens krav som t.ex. inspänningsintervall, utspänning, effekt, densitet och verkningsgrad.

Artikeln går igenom behovet av ett modernt kraftförsörjningsnät och typiska krav för strömförsörjning. Artikeln presenterar även exempel på modulära kraftförsörjningslösningar från Vicor och visar hur de kan användas i högeffektiva och kostnadsbesparande kraftförsörjningsnät.

Kraftförsörjningsnätens utveckling

El- och hybridfordon behöver maximal räckvidd och minimal laddningstid samtidigt som de tillhandahåller ett omfattande utbud av tjänster till förare och passagerare. Dessa krav lägger tonvikten på effektiva och lätta konstruktioner. Fordonstillverkare går därför över från en centraliserad arkitektur för kraftförsörjningsnät till en decentraliserad zonindelad arkitektur (figur 1).

Figur 1: Den centraliserade arkitekturen omvandlar källspänningen till en lastspänning på 12 V nära källan och distribuerar den i hela fordonet; den decentraliserade zonindelade arkitekturen distribuerar källspänningen till lokala DC/DC-omvandlare där spänningen sänks till 12 V så nära lasten som möjligt. (Bildkälla: Vicor)

Den centraliserade arkitekturen omvandlar 48 V till 12 V via en "silverlåda", en stor DC/DC-omvandlare som använder äldre, lågfrekventa switchningstopologier med pulsbreddsmodulering. Kraften på 12 V distribueras sedan från silverlådan. För en given effekt som levereras till lasten är strömnivån vid 12 V fyra gånger högre än den ström som levereras vid en potential på 48 V. Det innebär att den resistiva effektförlusten, som är proportionell mot strömmen i kvadrat, är 16 gånger högre.

Å andra sidan distribueras källan på 48 V i den zonindelade arkitekturen till de lokala zonerna där mindre, högeffektiva DC/DC-omvandlare från 48 till 12 V driver lasten. Lägre strömnivåer kräver en mindre diameter på ledare och kontaktdon, vilket resulterar i ledningsnät som är billigare och lättare. De lokala omvandlarna är placerade närmare lasten för att minimera längden på kablaget för 12 V.

I det zonindelade systemet är värmekällorna jämnt fördelade i fordonets alla zoner i stället för att vara koncentrerade nära källan. Detta förbättrar den totala värmeavledningen, vilket gör att de enskilda omvandlarna kan arbeta i miljöer med lägre temperaturer. Resultatet är högre verkningsgrad och större tillförlitlighet vid drift.

Konstruera strömförsörjningar för kraftförsörjningsnät

Även om det är möjligt att skapa en anpassad omvandlare för kraftförsörjningsnät med diskreta komponenter, så är konstruktion av strömförsörjningar en enorm uppgift. Få ingenjörer har de kunskaper eller den erfarenhet som krävs för att uppfylla tillämpnings- och myndighetskrav. Ett modulärt tillvägagångssätt är ett enklare och bättre alternativ.

Konstruktioner för modulära kraftförsörjningsnät är beroende av att det finns ett lager av kraftmoduler som tillhandahåller ett stort utbud av kraftrelaterade funktioner för att möjliggöra flexibla och skalbara arkitekturer (figur 2).

Figur 2: Konstruktioner för modulära kraftförsörjningsnät är beroende av en leverantör med ett stort utbud av olika lösningar för att säkerställa flexibilitet och skalbarhet. (Bildkälla: Vicor)

Den grundläggande zonarkitekturen för kraftförsörjningsnät (uppe till vänster) distribuerar strömkällan på 48 V till lokala modulära DC/DC-omvandlare som sänker spänningen till de nivåer som krävs. Om belastningskraven ändras görs en enkel uppgradering till en modul med högre effekt (överst i mitten). För att lägga till en ny last behöver man bara lägga till ytterligare en modulär omvandlare (uppe till höger). Det finns ingen anledning att ändra källkonfigurationen.

En minskning av matningsförlusterna går att åstadkomma genom en mindre förändring av en faktorindelad arkitektur (nere till vänster). Den faktorindelade arkitekturen delar upp effektreglering och spännings-/strömomvandling i två separata moduler. Modulen för förreglering (PRM) hanterar funktionen för spänningsreglering. Den faktorindelade bussens ström registreras för att reglera matningens utspänning. Modulen för spänningsomvandling (VTM), som fungerar på samma sätt som en likströmsomvandlare, hanterar spänningsminskningen/strömökningen. Modulen för spänningsomvandling är mindre än en komplett modul för DC/DC-omvandling och kan placeras närmare lasten för att minska resistansförluster. Dessutom kräver den låga utgångsimpedansen mindre utgångskondensatorer. Det innebär att mindre keramiska kondensatorer kan ersätta större utrymmeskrävande kondensatorer nära lasten.

Behovet av större effekt kan tillgodoses genom att parallellkoppla flera omvandlingsmoduler (nere i mitten). Uppdatering till högre spänningskällor, som t.ex. 400 eller 800 V, kan åstadkommas genom att lägga till en step-down modul med fast förhållande och en modul för bussomvandling (BCM) för att minska källspänningen ner till bussnivåer för separerad klenspänning (SELV) (nere till höger). Notera att bussen för separerad klenspänning är en säkerhetsstandard som anger den maximala spänningsnivån i elektriska apparater för att garantera säkerhet mot elektriska stötar. Spänningsnivåer för separerad klenspänning är i allmänhet under 53 V.

Exemplen ger en inblick i den flexibilitet och skalbarhet som är möjlig med en zonindelad arkitektur. Vicor har ett stort utbud av omvandlingsmoduler i sin serie DCM som passar dessa olika tillämpningar. Företaget var först med flera revolutionerande framsteg inom konstruktion av kraftmoduler, inklusive kapslingarna ChiP (Converter housed in Package) och VIA (Vicor Integrated Adapter) (figur 3).

Figur 3: Exempel på fysiska konfigurationer för ChiP och VIA i serien DCM. (Bildkälla: Vicor)

Kapslingarna ökar effekttätheten med en faktor av fyra jämfört med tidigare konfigurationer samtidigt som effektförlusterna minskar med 20 %. ChiP använder magnetiska strukturer som monteras med hjälp av ett substrat med hög densitet. Andra komponenter är monterade med en dubbelsidig layout för att fördubbla effekttätheten. Komponenterna är symmetriskt placerade i kapslingen för förbättrad termisk prestanda. Denna avancerade layout, tillsammans med optimerade material i formgjutningen, skapar förbättrade termiska vägar. ChiP-modulen har en låg termisk impedans på ovan- och undersida. Kylningen kan förbättras med hjälp av kylflänsar som är termiskt kopplade till de övre och undre ytorna, samt genom elektriska anslutningar. ViA-modulen tillför integrerad filtrering av elektromagnetiska störningar (EMI), bättre reglering av utspänning och ett sekundärt gränssnitt för styrning av det grundläggande "brick"-strukturelementet.

Exempel på moduler för DC/DC-omvandling i serien DCM

Serien DCM är ett exempel på en reglerad och isolerad DC/DC-omvandlare för allmänt bruk. Omvandlaren arbetar med en bred oreglerad spänningskälla som inspänning och genererar en spänningsreglerad uteffekt på nivåer upp till 1300 W vid utströmmar på upp till 46,43 A. Den tillhandahåller en isolering mellan in- och utspänning på upp till 4 242 V DC. Isolering avser galvanisk isolering, vilket innebär att ingen ström flyter direkt mellan in- och utgång. Enligt säkerhetsstandarder kan isolering krävas om inspänningen kan vara skadlig för människor. Att utspänningen är flytande i förhållande till inspänningen gör det också möjligt att vända eller växla utspänningens polaritet.

Serien DCM använder en topologi för ZVS (switchning vid nollspänning), som minskar de höga tillslagsförluster, som är vanligt förekommande i konventionella omvandlare med pulsbreddsmodulering, genom mjuk switchning av kraftkällan. ZVS möjliggör drift vid högre frekvenser och högre inspänningar utan att göra avkall på verkningsgraden. Omvandlarna arbetar med switchningsfrekvenser från 500 kHz till nära 1 MHz. Den höga switchningsfrekvensen minskar också storleken på de tillhörande magnetiska och kapacitiva delarna för energilagring, vilket förbättrar effekttätheten. Effekttäthet och verkningsgrad på upp till 75,91 W/m³ respektive 96 % är möjliga att uppnå.

Serien DCM finns i tre olika storlekar; DCM2322, DCM3623 och DCM4623, med överlappande inspänningsintervaller och uteffektnivåer (figur 4).

Figur 4: Här visas ett sammanfattande diagram för de elektriska egenskaperna hos DC/DC-omvandlarna i serien DCM, inklusive in- och utspänningsområden. (Bildkälla: Vicor)

Inspänningsintervallet för de tre serierna av omvandlare sträcker sig mellan 9 och 420 V med separerade klenspänningar från 3 till 52,8 V DC. De maximala utspänningsnivåerna kan justeras inom intervallet -40 till +10 % av den nominella utspänningen. Utgångarna har en fullt fungerande strömbegränsning som håller omvandlaren inom dess säkra driftsområde, baserat på den maximala genomsnittliga uteffekten, oavsett utspänningens inställning.

Serien DCM har felskydd för under- och/eller överspänning på ingången, övertemperatur, överspänning på utgången, överström på utgången och kortslutning på utgången.

I tabell 1 visas exempel på flera DCM-produkter, inklusive de tre olika storlekarna och en rad olika inspänningsintervaller med maximal effekt.

Tabell 1: Egenskaperna hos vanliga DCM-omvandlare illustrerar de inspänningsintervall, utspänningar och effektnivåer som finns tillgängliga för att uppfylla ett stort antal tillämpningskrav. (Tabellkälla: Art Pini)

Tabellen sammanfattar de viktigaste egenskaperna hos respektive DCM-omvandlare och anger deras fysiska mått. Detta är ett litet urval av de olika DCM-modeller som finns tillgängliga.

Typiska användningsområden

DCM-omvandlare kan användas var för sig och de flesta kan även användas parallellt. När de används var för sig, kan utspänningen mata flera olika laster, inklusive icke-isolerade regulatorer för belastningspunkt (POL) (figur 5).

Figur 5: Här visas en typisk tillämpning där DCM3623T75H06A6T00 driver en direkt last, samt en icke-isolerad regulator för belastningspunkt. (Bildkälla: Vicor)

Kretsen är okomplicerad. Komponenterna L1, C1, R4, C4 och Cy utgör ingångens EMI-filter. Utgångskondensatorn C_Out-Ext, skapar tillsammans med R_Out-Ext stabilitet i styrslingan. Resistorn kan vara kondensatorns effektiva serieresistans (ESR), med ett värde på ca 10 mΩ. Kondensatorn måste fysiskt placeras i närheten av omvandlarens utspänningsstift. R_dm, L_b, L_{2 och} C₂ bildar ett utspänningsfilter för differentiellt läge. Filtrets gränsfrekvens är inställt på en tiondel av switchningsfrekvensen.

De flesta DCM-omvandlare kan arbeta med parallellkopplade utspänningar (matrisläge). Detta ökar uteffekten till lasten genom att kombinera uteffekten från upp till åtta moduler (figur 6).

Figur 6: Kretsen visar en parallellkoppling med fyra DCM-omvandlare som driver en gemensam last. (Bildkälla: Vicor)

De externa komponenterna utför samma funktioner som i exemplet med en enkel omvandlare. I matrisläget måste varje DCM-modul ha ett minimivärde på utgångskapacitansen före eventuell serieinduktans, och den måste vara placerad närmare den enskilda omvandlaren än utspänningens övergång. I matriser där alla "N" i DCM-modulerna startas samtidigt kan det maximala värdet för utgångskapacitansen vara upp till N gånger C_out-Ext. Det finns också krav på att strömkällans impedans skall vara mindre än hälften av DCM-matrisens ingångsimpedans för att garanteras stabilitet och minimera ringning.

Sammanfattning

Tillämpningar som t.ex. fordon och elfordon genomgår en markant förändring från centraliserade till decentraliserade arkitekturer för kraftförsörjningsnät. De DC/DC-omvandlare som krävs för att uppfylla kraven på effektivitet, effekttäthet och vikt är svåra att konstruera med hjälp av diskreta komponenter. Istället kan konstruktörer minska tidsåtgång och kostnader genom att använda Vicors lösningar för modulär strömförsörjning i och med serien DCM. Som framgår ligger dessa moduler i framkant när det gäller avancerade kapslingar som ChiP och VIA, och innovativa topologier för ZVS som är skalbara, mångsidiga och passar för en mängd olika tillämpningar.